Experimento ATLAS, CERN, Ginebra, Suiza

ATLAS (Un Aparato LHC Toroidal) es uno de los siete experimentos con detectores de partículas construidos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un acelerador de partículas en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en Suiza. El experimento está diseñado para aprovechar la energía sin precedentes disponible en el LHC y observar fenómenos que involucran partículas altamente masivas que no fueron observables utilizando aceleradores de energía más bajos. ATLAS fue uno de los dos experimentos de LHC involucrados en el descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012. También fue diseñado para buscar evidencia de teorías de la física de partículas más allá del Modelo Estándar.

El detector ATLAS tiene 46 metros de largo, 25 metros de diámetro y pesa alrededor de 7,000 toneladas; Contiene unos 3000 km de cable. El experimento es una colaboración que involucra a aproximadamente 3,000 físicos de más de 175 instituciones en 38 países. El proyecto fue dirigido durante los primeros 15 años por Peter Jenni, entre 2009 y 2013 fue dirigida por Fabiola Gianotti, de 2013 a 2017 por David Charlton, y luego por Karl Jakobs.

CERN
La Organización Europea para la Investigación Nuclear (en francés: Organización Europea para la Investigación Nuclear), conocida como CERN ( derivada del nombre Conseil Europea para la Investigación Nuclear), es una organización de investigación europea que Opera el laboratorio de física de partículas más grande del mundo. Establecida en 1954, la organización está ubicada en un suburbio al noroeste de Ginebra, en la frontera franco-suiza, y tiene 23 estados miembros. Israel es el único país no europeo con membresía plena. El CERN es un observador oficial de las Naciones Unidas.

El acrónimo CERN también se utiliza para referirse al laboratorio, que en 2016 tenía 2,500 miembros del personal científico, técnico y administrativo y albergaba a unos 12,000 usuarios. En el mismo año, el CERN generó 49 petabytes de datos.

La función principal del CERN es proporcionar los aceleradores de partículas y otra infraestructura necesaria para la investigación de física de alta energía; como resultado, se han construido numerosos experimentos en el CERN a través de colaboraciones internacionales. El sitio principal de Meyrin alberga una gran instalación informática, que se utiliza principalmente para almacenar y analizar datos de experimentos, así como para simular eventos. Los investigadores necesitan acceso remoto a estas instalaciones, por lo que el laboratorio ha sido históricamente un importante centro de red de área amplia. CERN es también el lugar de nacimiento de la World Wide Web.

ATLAS
El primer ciclotrón, un tipo temprano de acelerador de partículas, fue construido por Ernest O. Lawrence en 1931, con un radio de unos pocos centímetros y una energía de partículas de 1 megaelectronvolt (MeV). Desde entonces, los aceleradores han crecido enormemente en la búsqueda de producir nuevas partículas de mayor y mayor masa. A medida que los aceleradores han crecido, también lo ha hecho la lista de partículas conocidas que podrían usarse para investigar. El modelo más completo de interacciones de partículas disponibles en la actualidad se conoce como el Modelo Estándar de Física de Partículas.

Con la importante excepción del bosón de Higgs, ahora detectado por los experimentos ATLAS y CMS, todas las partículas predichas por el modelo habían sido observadas por experimentos previos. Si bien el Modelo estándar predice que deberían existir quarks, electrones y neutrinos, no explica por qué las masas de estas partículas difieren en órdenes de magnitud. Debido a esto, muchos físicos de partículas creen que es posible que el Modelo estándar se descomponga con las energías en la escala de teraelectronvolt (TeV) o superior. Si se observa dicha física más allá del Modelo estándar, se puede desarrollar un nuevo modelo, que sea idéntico al Modelo estándar en las energías probadas hasta ahora, para describir la física de partículas a energías más altas. La mayoría de las teorías propuestas actualmente predicen nuevas partículas de masa más alta, algunas de las cuales pueden ser lo suficientemente ligeras para ser observadas por ATLAS.

ATLAS está diseñado para ser un detector de uso general. Cuando los haces de protones producidos por el Gran Colisionador de Hadrones interactúan en el centro del detector, se producen una variedad de partículas diferentes con un amplio rango de energías. En lugar de centrarse en un proceso físico particular, ATLAS está diseñado para medir el rango de señales más amplio posible. El objetivo es garantizar que, independientemente de la forma que tomen los nuevos procesos físicos o partículas, ATLAS podrá detectarlos y medir sus propiedades. Los experimentos de colisionadores anteriores, como Tevatron y Large Electron-Positron Collider, se diseñaron en base a una filosofía similar. Sin embargo, los desafíos únicos del Gran Colisionador de Hadrones (su energía sin precedentes y su tasa extremadamente alta de colisiones) requieren que ATLAS sea significativamente más grande y más complejo que los experimentos anteriores.

A 27 kilómetros de circunferencia, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) colisiona dos haces de protones, con cada protón transportando hasta 6,5 ​​TeV de energía, suficiente para producir partículas con masas significativamente mayores que cualquier partícula conocida actualmente, si estas partículas existen. ATLAS está diseñado para detectar estas partículas, a saber, sus masas, momento, energías, vida, cargas y giros nucleares. Con el fin de identificar todas las partículas producidas en el punto de interacción donde los haces de partículas chocan, el detector está diseñado en capas formadas por detectores de diferentes tipos, cada uno de los cuales está diseñado para observar tipos específicos de partículas. Las diferentes trazas que dejan las partículas en cada capa del detector permiten una identificación efectiva de las partículas y mediciones precisas de la energía y el momento. (La función de cada capa en el detector se describe a continuación.) A medida que aumenta la energía de las partículas producidas por el acelerador, los detectores conectados a ella deben crecer para medir y detener de manera efectiva las partículas de mayor energía. A partir de 2017, ATLAS es el detector más grande jamás construido en un colisionador de partículas.

Programa de fisica
ATLAS investiga muchos tipos diferentes de física que pueden llegar a ser detectables en las colisiones energéticas del LHC. Algunas de estas son confirmaciones o mediciones mejoradas del Modelo Estándar, mientras que muchas otras son posibles pistas para nuevas teorías físicas.

Uno de los objetivos más importantes de ATLAS era investigar una pieza faltante del Modelo Estándar, el bosón de Higgs. El mecanismo de Higgs, que incluye el bosón de Higgs, da masa a las partículas elementales, lo que lleva a diferencias entre la fuerza débil y el electromagnetismo al dar masa a los bosones W y Z mientras deja al fotón sin masa. El 4 de julio de 2012, ATLAS, junto con CMS, su experimento hermano en el LHC, informó sobre la existencia de una partícula compatible con el bosón de Higgs a un nivel de confianza de 5 sigma, con una masa de alrededor de 125 GeV, o 133 veces. La masa de protones. Esta nueva partícula “similar a Higgs” fue detectada por su descomposición en dos fotones y su descomposición en cuatro leptones. En marzo de 2013, a la luz de los resultados actualizados de ATLAS y CMS, el CERN anunció que la nueva partícula era de hecho un bosón de Higgs. Los experimentos también pudieron demostrar que las propiedades de la partícula, así como las formas en que interactúa con otras partículas, se emparejaron bien con las de un bosón de Higgs, que se espera que tenga un giro 0 y una paridad positiva. El análisis de más propiedades de la partícula y los datos recopilados en 2015 y 2016 confirmaron esto. En 2013, dos de los físicos teóricos que predijeron la existencia del bosón de Higgs del Modelo Estándar, Peter Higgs y François Englert recibieron el Premio Nobel de Física.

La asimetría entre el comportamiento de la materia y la antimateria, conocida como violación CP, también se está investigando. Los experimentos recientes dedicados a las mediciones de violación de CP, como BaBar y Belle, no han detectado una violación de CP suficiente en el Modelo Estándar para explicar la falta de antimateria detectable en el universo. Es posible que los nuevos modelos de física introduzcan una violación de CP adicional, arrojando luz sobre este problema. La evidencia que respalda estos modelos puede ser detectada directamente por la producción de nuevas partículas, o indirectamente por mediciones de las propiedades de los mesones B y D. Es probable que LHCb, un experimento de LHC dedicado a los mesones B, se adapte mejor a este último.

Las propiedades del quark top, descubiertas en Fermilab en 1995, hasta ahora solo se han medido aproximadamente. Con mucha mayor energía y mayores tasas de colisión, el LHC produce una gran cantidad de quarks top, lo que permite a ATLAS realizar mediciones mucho más precisas de su masa e interacciones con otras partículas. Estas mediciones proporcionarán información indirecta sobre los detalles del Modelo Estándar, con la posibilidad de revelar inconsistencias que apuntan a una nueva física. Se realizarán mediciones de precisión similares de otras partículas conocidas; por ejemplo, ATLAS puede medir la masa del bosón W con el doble de precisión que se ha logrado anteriormente.

Una teoría que es objeto de mucha investigación actual es la supersimetría. La supersimetría puede resolver potencialmente una serie de problemas en la física teórica, como los problemas de jerarquía dentro de la teoría del indicador, y está presente en casi todos los modelos de la teoría de cuerdas. Los modelos de supersimetría involucran nuevas partículas altamente masivas. En muchos casos, estos se descomponen en quarks de alta energía y partículas pesadas estables que es muy poco probable que interactúen con la materia ordinaria. Las partículas estables escaparían del detector, dejando como señal uno o más jets de quark de alta energía y una gran cantidad de impulso “faltante”. Otras hipotéticas partículas masivas, como las de la teoría de Kaluza-Klein, podrían dejar una firma similar, pero su descubrimiento indicaría ciertamente que había algún tipo de física más allá del Modelo Estándar.

Agujeros negros microscópicos
Algunas hipótesis, basadas en el modelo ADD, involucran grandes dimensiones adicionales y predicen que los micro agujeros negros podrían formarse por el LHC. Estos se descompondrían inmediatamente por medio de la radiación de Hawking, produciendo todas las partículas en el Modelo Estándar en números iguales y dejando una firma inequívoca en el detector ATLAS.

Componentes
El detector ATLAS consiste en una serie de cilindros concéntricos cada vez más grandes alrededor del punto de interacción donde chocan los haces de protones del LHC. Se puede dividir en cuatro partes principales: el detector interno, los calorímetros, el espectrómetro de muones y los sistemas magnéticos. Cada uno de estos está hecho a su vez de múltiples capas. Los detectores son complementarios: el Detector interno rastrea las partículas con precisión, los calorímetros miden la energía de las partículas que se detienen fácilmente, y el sistema de muones realiza mediciones adicionales de muones altamente penetrantes. Los dos sistemas magnéticos doblan las partículas cargadas en el Detector Interno y el Espectrómetro Muon, lo que permite medir su momento.

Las únicas partículas estables establecidas que no pueden detectarse directamente son los neutrinos; su presencia se infiere midiendo un desequilibrio de momento entre las partículas detectadas. Para que esto funcione, el detector debe ser “hermético”, lo que significa que debe detectar todos los no neutrinos producidos, sin puntos ciegos. Mantener el funcionamiento del detector en las áreas de alta radiación que rodean a los haces de protones es un desafío de ingeniería importante.

Detector interno
El detector interno comienza a unos pocos centímetros del eje de la viga de protones, se extiende a un radio de 1,2 metros y tiene una longitud de 6,2 metros a lo largo del tubo de la viga. Su función básica es rastrear partículas cargadas detectando su interacción con el material en puntos discretos, revelando información detallada sobre los tipos de partículas y su impulso. El campo magnético que rodea todo el detector interno hace que las partículas cargadas se curven; la dirección de la curva revela la carga de una partícula y el grado de curvatura revela su impulso. Los puntos de inicio de las pistas proporcionan información útil para identificar partículas; por ejemplo, si un grupo de pistas parece originarse en un punto que no es la colisión protón-protón original, esto puede ser una señal de que las partículas provinieron de la descomposición de un hadrón con un quark de fondo (consulte el apartado b). El detector interno tiene tres partes, que se explican a continuación.

El Detector de píxeles, la parte más interna del detector, contiene tres capas concéntricas y tres discos en cada extremo, con un total de 1,744 módulos, cada uno de 2 centímetros por 6 centímetros. El material de detección es de silicio de 250 µm de espesor. Cada módulo contiene 16 chips de lectura y otros componentes electrónicos. La unidad más pequeña que se puede leer es un píxel (50 por 400 micrómetros); Hay aproximadamente 47,000 píxeles por módulo. El tamaño de píxel por minuto está diseñado para un seguimiento extremadamente preciso muy cerca del punto de interacción. En total, el Detector de píxeles tiene más de 80 millones de canales de lectura, que es aproximadamente el 50% del total de los canales de lectura de todo el experimento. Tener una cuenta tan grande creó un desafío considerable de diseño e ingeniería. Otro desafío fue la radiación a la que está expuesto el Detector de píxeles debido a su proximidad con el punto de interacción, lo que requiere que todos los componentes estén endurecidos por radiación para continuar operando después de exposiciones significativas.

El rastreador de semiconductores (SCT) es el componente central del detector interno. Es similar en concepto y función al Detector de píxeles, pero con tiras largas y estrechas en lugar de píxeles pequeños, lo que hace que la cobertura de un área más grande sea práctica. Cada tira mide 80 micrometros por 12 centímetros. El SCT es la parte más crítica del detector interno para el rastreo básico en el plano perpendicular al haz, ya que mide partículas en un área mucho más grande que el detector de píxeles, con más puntos muestreados y una precisión aproximadamente igual (aunque unidimensional) . Está compuesto por cuatro capas dobles de tiras de silicona, y tiene 6,3 millones de canales de lectura y un área total de 61 metros cuadrados.

El Rastreador de Radiación de Transición (TRT), el componente más externo del detector interno, es una combinación de un rastreador de paja y un detector de radiación de transición. Los elementos de detección son tubos de deriva (pajitas), cada uno de cuatro milímetros de diámetro y hasta 144 centímetros de largo. La incertidumbre de las mediciones de posición de la pista (resolución de posición) es de aproximadamente 200 micrómetros. Esto no es tan preciso como los de los otros dos detectores, pero fue necesario reducir el costo de cubrir un volumen mayor y tener la capacidad de detección de radiación de transición. Cada pajilla se llena con gas que se ioniza cuando una partícula cargada pasa a través. Las pajitas se mantienen a aproximadamente −1,500 V, conduciendo los iones negativos a un alambre fino en el centro de cada pajilla, produciendo un pulso (señal) de corriente en el alambre. Los cables con señales crean un patrón de pajuelas de “golpe” que permiten determinar el camino de la partícula. Entre las pajuelas, los materiales con índices de refracción muy variables hacen que las partículas cargadas ultra-relativistas produzcan radiación de transición y dejen señales mucho más fuertes en algunas pajitas. El xenón y el gas argón se utilizan para aumentar el número de pajitas con señales fuertes. Dado que la cantidad de radiación de transición es mayor para partículas altamente relativistas (aquellas con una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz), y como las partículas de una energía particular tienen una velocidad más alta cuanto más ligeras son, las rutas de partículas con muchas señales muy fuertes pueden ser Identificadas como pertenecientes a las partículas cargadas más ligeras: electrones y sus antipartículas, positrones. El TRT tiene alrededor de 298,000 pajitas en total.

Calorímetros
Los calorímetros están situados fuera del imán solenoidal que rodea el detector interno. Su propósito es medir la energía de las partículas absorbiéndola. Hay dos sistemas básicos de calorímetro: un calorímetro electromagnético interno y un calorímetro hadrónico externo. Ambos son calorímetros de muestreo; es decir, absorben energía en metal de alta densidad y toman muestras periódicamente de la forma de la lluvia de partículas resultante, deduciendo la energía de la partícula original de esta medida.

El calorímetro electromagnético (EM) absorbe energía de las partículas que interactúan electromagnéticamente, que incluyen partículas cargadas y fotones. Tiene una alta precisión, tanto en la cantidad de energía absorbida como en la ubicación precisa de la energía depositada. El ángulo entre la trayectoria de la partícula y el eje del haz del detector (o más precisamente la pseudorapidez) y su ángulo dentro del plano perpendicular se miden dentro de aproximadamente 0.025 radianes. El calorímetro EM del barril tiene electrodos en forma de acordeón y los materiales que absorben energía son plomo y acero inoxidable, con argón líquido como material de muestreo, y se requiere un criostato alrededor del calorímetro EM para mantenerlo lo suficientemente fresco.

El calorímetro de hadrón absorbe energía de las partículas que pasan a través del calorímetro EM, pero interactúan a través de la fuerza fuerte; estas partículas son principalmente hadrones. Es menos preciso, tanto en la magnitud de la energía como en la localización (solo dentro de aproximadamente 0,1 radianes). El material que absorbe energía es el acero, con baldosas centelleantes que muestrean la energía depositada. Muchas de las características del calorímetro se eligen por su rentabilidad; El instrumento es grande y comprende una gran cantidad de material de construcción: la parte principal del calorímetro, el calorímetro del azulejo, tiene 8 metros de diámetro y cubre 12 metros a lo largo del eje del rayo. Las secciones más alejadas del calorímetro hadrónico están contenidas dentro del criostato del calorímetro EM, y también usan argón líquido, mientras que el cobre y el tungsteno se usan como absorbentes.

Espectrómetro de muon
El espectrómetro Muon es un sistema de seguimiento extremadamente grande que consta de tres partes: (1) un campo magnético provisto por tres imanes toroidales, (2) un conjunto de 1200 cámaras que mide con alta precisión espacial las pistas de los muones salientes, (3) Un conjunto de cámaras de disparo con una precisa resolución de tiempo. La extensión de este sub-detector comienza en un radio de 4.25 m cerca de los calorímetros hacia afuera del radio completo del detector (11 m). Se requiere su tremendo tamaño para medir con precisión el impulso de los muones, que primero pasan por todos los demás elementos del detector antes de llegar al espectrómetro de muones. Fue diseñado para medir, de manera autónoma, el impulso de 100 muV GeV con 3% de precisión y de 1 TeV muones con 10% de precisión. Fue vital llegar a la longitud de armar un equipo tan grande porque solo se pueden observar varios procesos físicos interesantes si se detectan uno o más muones, y porque no se pudo medir la energía total de las partículas en un evento. Si los muones fueron ignorados. Funciona de manera similar al detector interno, con muones que se curvan para poder medir su impulso, aunque con una configuración de campo magnético diferente, una menor precisión espacial y un volumen mucho mayor. También tiene la función de simplemente identificar muones: se espera que muy pocas partículas de otros tipos pasen a través de los calorímetros y luego dejen señales en el espectrómetro de muones. Tiene aproximadamente un millón de canales de lectura, y sus capas de detectores tienen un área total de 12,000 metros cuadrados.

Sistema de imán
El detector ATLAS utiliza dos grandes sistemas de imanes superconductores para doblar las partículas cargadas para que se puedan medir sus momentos. Esta flexión se debe a la fuerza de Lorentz, que es proporcional a la velocidad. Dado que todas las partículas producidas en las colisiones de protones del LHC viajan muy cerca de la velocidad de la luz, la fuerza sobre las partículas de diferentes momentos es igual. (En la teoría de la relatividad, el momento no es lineal proporcional a la velocidad a tales velocidades). Por lo tanto, las partículas de momento alto se curvan muy poco, mientras que las partículas de momento bajo se curvan significativamente; la cantidad de curvatura se puede cuantificar y el momento de la partícula se puede determinar a partir de este valor.

El solenoide interno produce un campo magnético de dos teslas que rodea el detector interno. Este alto campo magnético permite que incluso las partículas muy energéticas se curvan lo suficiente como para determinar su impulso, y su dirección y fuerza casi uniformes permiten que las mediciones se realicen con mucha precisión. Las partículas con un momento inferior a aproximadamente 400 MeV se curvarán tan fuertemente que se repetirán en el campo y probablemente no se medirán; sin embargo, esta energía es muy pequeña en comparación con los varios TeV de energía liberada en cada colisión de protones.

El campo magnético toroidal externo es producido por ocho bucles superconductores de gran tamaño con núcleo de aire y dos imanes toroidales de aire de tapas extremas, todos situados fuera de los calorímetros y dentro del sistema de muones. Este campo magnético se extiende en un área de 26 metros de largo y 20 metros de diámetro, y almacena 1,6 gigajulios de energía. Su campo magnético no es uniforme, ya que un imán de solenoide de tamaño suficiente sería prohibitivamente costoso de construir. Varía entre 2 y 8 Teslameters.

Rendimiento del detector
La instalación de todos los detectores anteriores se completó en agosto de 2008. Los detectores recogieron millones de rayos cósmicos durante las reparaciones del imán que tuvieron lugar entre el otoño de 2008 y el otoño de 2009, antes de las primeras colisiones de protones. El detector funcionó con una eficiencia cercana al 100% y proporcionó características de rendimiento muy cercanas a sus valores de diseño.

Detectores delanteros
El detector ATLAS se complementa con un conjunto de detectores en la región muy avanzada. Estos detectores están ubicados en el túnel LHC lejos del punto de interacción. La idea básica es medir la dispersión elástica en ángulos muy pequeños para producir mejores mediciones de la luminosidad absoluta en el punto de interacción ATLAS.

Sistemas de datos y análisis.
El detector genera cantidades de datos en bruto inmanejablemente grandes: aproximadamente 25 megabytes por evento (en bruto; la supresión de cero reduce esto a 1.6 MB), multiplicado por 40 millones de cruces de haz por segundo en el centro del detector. Esto produce un total de 1 petabyte de datos sin procesar por segundo. El sistema de activación utiliza información simple para identificar, en tiempo real, los eventos más interesantes para retener para un análisis detallado. Hay tres niveles de activación. El primero se basa en la electrónica del detector, mientras que los otros dos se ejecutan principalmente en un gran grupo de computadoras cerca del detector. El disparador de primer nivel selecciona aproximadamente 100,000 eventos por segundo. Después de que se haya aplicado el desencadenante de tercer nivel, quedan unos cientos de eventos que deben almacenarse para su posterior análisis. Esta cantidad de datos aún requiere más de 100 megabytes de espacio en disco por segundo, al menos un petabyte cada año.

Los sistemas anteriores de lectura de detectores de partículas y detección de eventos se basaban en buses compartidos paralelos, como VMEbus o FASTBUS. Dado que tal arquitectura de bus no puede mantenerse al día con los requisitos de datos de los experimentos de LHC, todas las propuestas de sistemas de adquisición de datos se basan en enlaces de punto a punto de alta velocidad y redes de conmutación. Las personas que diseñaron los experimentos de LHC evaluaron varias de estas redes, incluido el Modo de transferencia asíncrono, la Interfaz coherente escalable, el Canal de fibra óptica, Ethernet e IEEE 1355 (SpaceWire).

La reconstrucción de eventos sin conexión se realiza en todos los eventos almacenados de forma permanente, convirtiendo el patrón de señales del detector en objetos físicos, como jets, fotones y leptones. La computación en cuadrícula se está utilizando ampliamente para la reconstrucción de eventos, lo que permite el uso paralelo de las redes de computadoras de las universidades y laboratorios en todo el mundo para la tarea intensiva de CPU de reducir grandes cantidades de datos sin procesar en una forma adecuada para el análisis físico. El software para estas tareas ha estado en desarrollo durante muchos años y continuará perfeccionándose incluso ahora que el experimento está recopilando datos.

Los individuos y grupos dentro de la colaboración están escribiendo su propio código para realizar un análisis adicional de estos objetos, buscando los patrones de partículas detectadas en busca de modelos físicos particulares o partículas hipotéticas.

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